TPS改性瀝青流變性能研究

劉聰慧

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青是一種溫度敏感性材料，其力學(xué)性能會(huì)隨著溫度的變化而改變。隨著溫度的降低，瀝青的強(qiáng)度和勁度會(huì)增大，但是柔性降低；而溫度升高時(shí)，其柔性增大，強(qiáng)度和勁度降低。為了使瀝青路面有較好的路用性能，需要添加適當(dāng)?shù)母男詣?，以提高瀝青的高低溫性能[1]。 TPS（ TAFPACK—Super）是以熱塑性橡膠為主要成分，再配以黏結(jié)性樹脂和增塑劑等其他成分，用機(jī)械攪拌混合方式能使普通瀝青改良成為排水性瀝青路面用的高黏度黏結(jié)劑。其主要優(yōu)點(diǎn)為軟化點(diǎn)高、黏度高、延伸性大、石料間凝聚力大、抗剝離性強(qiáng)，具有良好的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能及耐久性能[2]。本文采用TPS改性劑，制備了不同摻量的改性瀝青膠漿，并用基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青作為對(duì)比參照，通過DSR剪切流變?cè)囼?yàn)，研究了不同摻量TPS改性瀝青的高溫抗車轍性和低溫抗開裂性[3]。試驗(yàn)前首先用應(yīng)變掃描試驗(yàn)確定不同瀝青樣品的線性黏彈性區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)通過溫度掃描和頻率掃描試驗(yàn)研究瀝青材料的高溫抗車轍性、中溫抗疲勞性及低溫抗開裂能力[4-5]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料制備

本試驗(yàn)所用AH-70基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青分別來自廣東南粵公司和湖北鄂州殼牌瀝青公司，其主要性能指標(biāo)如表1所示。使用AH-70基質(zhì)瀝青制備TPS改性瀝青，TPS改性劑摻量分別為8%、16%、20%。TPS改性瀝青采用高速剪切儀制備，剪切攪拌溫度為160℃，攪拌時(shí)間為2 h。本試驗(yàn)制備的8%TPS、16%TPS、20%TPS 改性瀝青針入度分別為：49.4、43.6、40.2。

表1 道路瀝青基本性能

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)使用DSR剪切流變儀測(cè)試樣品的流變性能，測(cè)試指標(biāo)為復(fù)合剪切模量（complex modulus）和相位角（phase angle）。試驗(yàn)溫度范圍為-20℃～40℃和30℃～80℃。剪切板大小分別為8 mm和25 mm，相對(duì)應(yīng)的上、下剪切板間隙分別為2 mm和1 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 應(yīng)變掃描試驗(yàn)

DSR流變?cè)囼?yàn)前，應(yīng)首先確定瀝青材料的線性黏彈性區(qū)域，以確保溫度掃描試驗(yàn)和頻率掃描試驗(yàn)均在此區(qū)域進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)變掃描試驗(yàn)確定線性黏彈性區(qū)域，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如圖1所示。

圖1為基質(zhì)瀝青AH-70在-20℃ ～40℃時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過應(yīng)變掃描試驗(yàn)，可以明顯看出改性瀝青的線性黏彈性區(qū)域大于基質(zhì)瀝青，并且隨著溫度的升高，各種瀝青的線性黏彈性區(qū)域逐漸變寬。

圖1 應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖1可以劃分基質(zhì)瀝青的黏彈性區(qū)域，并確定溫度掃描試驗(yàn)和頻率掃描試驗(yàn)中施加的應(yīng)變等級(jí)。表2給出了不同溫度下頻率掃描試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的應(yīng)變等級(jí)。

表2 不同溫度下頻率掃描試驗(yàn)應(yīng)變等級(jí)

為了提高試驗(yàn)的可操作性，本次試驗(yàn)中同溫度下基質(zhì)瀝青和改性瀝青選用相同的應(yīng)變等級(jí)。

2.2 溫度掃描試驗(yàn)

溫度掃描試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于低溫段（-20℃～40℃），應(yīng)變等級(jí)定為0.2%，而對(duì)于高溫段（30℃～80℃），應(yīng)變等級(jí)定為10%。高、低溫段試驗(yàn)頻率均設(shè)定為10 rad/s。

圖2 30℃～80℃時(shí)復(fù)合模量—溫度關(guān)系曲線

圖3 30℃～80℃時(shí)車轍因子—溫度關(guān)系曲線

由圖2和圖3可以看出，復(fù)合模量和車轍因子隨著溫度的升高逐漸減小，表明溫度升高，瀝青材料逐漸“變軟”。同時(shí)，溫度升高時(shí)，改性瀝青與基質(zhì)瀝青間復(fù)合模量和車轍因子差值逐漸增大，并且隨著TPS摻量的增大，同溫度下車轍因子逐漸增大，表明摻入TPS改性劑可較大地提高瀝青高溫性能。另外，由圖1和圖2可以看出，SBS改性瀝青的復(fù)合模量和車轍因子介于8%TPS和16%TPS之間；溫度大于60℃時(shí)16%TPS和20%TPS改性瀝青的復(fù)合模量和車轍因子基本重合。由上述可以推斷：為了提高瀝青材料抵抗車轍的性能，16%TPS為理想的摻量。

圖4 -20℃～40℃時(shí)復(fù)合模量—溫度關(guān)系曲線

圖5 -20℃～40℃時(shí)儲(chǔ)存模量—溫度關(guān)系曲線

由圖4和圖5可以看出，在低溫區(qū)段（-20℃～0℃），基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、8%TPS改性瀝青的儲(chǔ)存模量曲線基本重合，而16%TPS和20%TPS改性瀝青的儲(chǔ)存模量明顯降低，表明16%TPS和20%TPS改性瀝青相對(duì)于另外3種瀝青材料具有更好的抗低溫開裂能力。TPS改性劑可增大瀝青材料低溫時(shí)的柔性，阻礙瀝青材料“變脆”。同時(shí)，低溫時(shí)SBS改性瀝青的儲(chǔ)存模量介于8%TPS改性瀝青和16%TPS改性瀝青之間，16%TPS和20%TPS改性瀝青復(fù)合模量和儲(chǔ)存模量相差不大。因此，16%TPS為提高瀝青材料低溫抗開裂性的合適摻量。

2.3 頻率掃描試驗(yàn)

頻率掃描試驗(yàn)中頻率范圍為100～0.1 rad/s，溫度范圍為-20℃～70℃。圖6為不同溫度條件下復(fù)合模量和角頻率之間的關(guān)系，圖7為依據(jù)“時(shí)溫等效原則”得出的復(fù)合模量主曲線圖。依據(jù)主曲線圖，可以在更寬的頻率范圍內(nèi)（10-6～106rad/s）評(píng)價(jià)瀝青材料的性能。

圖6 不同溫度下復(fù)合模量—角頻率關(guān)系曲線

圖7 復(fù)合模量主曲線關(guān)系圖

由圖6和圖7可以看出，相比于基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青和TPS改性瀝青復(fù)合模量隨頻率變化較小，即在低頻率時(shí)，改性瀝青具有較高的復(fù)合模量，而在高頻率時(shí)，改性瀝青又具有較低的復(fù)合模量。依據(jù)“時(shí)溫等效原則”：低頻率對(duì)應(yīng)高溫，高頻率對(duì)應(yīng)低溫，可推斷出改性瀝青相比基質(zhì)瀝青具有更好的高溫抗車轍能力和低溫抗開裂能力。

同時(shí)，隨著TPS摻量的增大，TPS改性瀝青的復(fù)合模量差值逐漸減小，16%TPS和20%TPS改性瀝青復(fù)合模量主曲線基本重合，因此為了提高瀝青的高低溫性能，16%TPS為合適摻量。

圖8給出了各瀝青材料損失模量和角頻率之間的關(guān)系。損失模量可在一定程度上評(píng)價(jià)材料的疲勞抵抗特性。由圖8可以看出，隨著TPS摻量的增大，瀝青材料的損失模量逐漸降低，表明TPS有助于提高瀝青材料的抗疲勞開裂特性。同時(shí)，隨著頻率的增大（溫度降低），各瀝青材料的損失模量差值逐漸增大，表明在低溫時(shí)，TPS改性劑對(duì)材料抗疲勞開裂特性貢獻(xiàn)更大。與復(fù)合模量曲線相同，SBS改性瀝青損失模量曲線仍介于8%TPS和16%TPS改性瀝青之間，16%TPS和20%TPS改性瀝青的損失模量曲線基本重合。

圖8 10℃時(shí)損失模量—角頻率曲線圖

3 結(jié)論

本試驗(yàn)測(cè)試了基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和3種摻量TPS改性瀝青的流變性能。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，TPS改性劑摻量對(duì)瀝青性能影響較大，可得出以下結(jié)論：

a）由溫度掃描試驗(yàn)和頻率掃描試驗(yàn)得出TPS改性劑可提高瀝青材料的高溫抗車轍性、中溫抗疲勞性和低溫抗開裂性能。

b）SBS改性瀝青的高溫抗車轍性、中溫抗疲勞性和低溫抗開裂性均介于8%TPS和16%TPS改性瀝青之間。

c）16%TPS為提高瀝青材料高、中、低溫性能的合適摻量。